CC BY
32
РАДИОФИЗИКА
УДК 551.508.8
ВАРИАЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АТМОСФЕРЫ В ЛИНИЯХ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ Oз И N2O
© 2010 г. Е.И. Шкелев, А.Г. Кисляков, Д.В. Савельев, В.Л. Вакс
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского savelev@inbox.ru
Поступила в редакцию 26.01.2010
На основе данных о радиоизлучении атмосферы, полученных в ННГУ в зимне-весенние периоды 2000, 2003-2005 гг., рассмотрена взаимная корреляция оптической толщины Г и формы теллурической линии О3 с интенсивностью линии ^О. Показано, что увеличение Г в линии ^О сопровождается преимущественно уменьшением Г в линии О3 как при крупномасштабных по времени вариациях Г, так и при вариациях на относительно коротких интервалах времени.
Ключевые слова: теллурическая линия, дистанционное зондирование, атмосферный озон, микроволновая радиометрия.
Введение
Состояние озонового слоя Земли зависит как от естественных процессов в атмосфере и за её пределами, так и от различных антропогенных факторов. Многие связанные с этим проблемы разрешаются средствами микроволнового зондирования. В последнее время при изучении влияющих на озоновый слой процессов используется мониторинг различных примесных составляющих атмосферы, в частности озона (О3) и закиси азота (^О). Объясняется это тем, что К2О содержит главную часть атмосферного связанного азота и служит стратосферным источником окислов азота, играющих роль стоков О3
[1]. Кроме того, и О3, и К2О относятся к группе газов, определяющих тепличный эффект в атмосфере [2]. Поэтому мониторинг К2О и её производных следует рассматривать как составную часть исследований по озонной проблеме.
Первоначально количественные измерения К2О в атмосфере по линиям микроволнового вращательного спектра были выполнены в Антарктиде в области южного полярного вихря
[3]. Позднее такие же исследования стали проводиться в районе северного полярного вихря
[4]. Отметим измерения линии К2О на частоте 276328 МГц в Туле (Гренландия - 76.3о с.ш., 1992 г.) [5], позволившие установить значительное возрастание содержания закиси азота в
атмосфере высоких широт при наступлении арктической весны (в феврале-марте) 1992 года. Расчёт высотного профиля К2О показал, что при прохождении через зондируемую область атмосферы границы северного полярного вихря отношение смеси закиси азота на высоте ~25 км возрастает от ~40 ррЬу (в последних числах февраля) до —140 ррЬу (в середине последней декады марта).
Увеличение плотности К2О ведёт к химическим потерям атмосферного озона. В [5] приведены численные оценки уменьшения концентрации озона при увеличении отношения смеси К2О. Оценки получены путём сопоставления интенсивности спектральной линии К2О и данных о концентрации озона, измерявшейся зон-довым методом (под интенсивностью линии здесь и далее понимается декремент оптической толщины в интервале частот от крыла до центра линии). Данные наблюдений в Туле подтверждены результатами баллонных измерений во время европейской кампании исследования стратосферного озона Арктики (1991/1992) [6]. Было зафиксировано уменьшение содержания озона в зимне-весенний период (на 25% в слое 15-20 км), что объясняется химическими потерями. Аналогичное явление наблюдалось на границе 1999/2000 г. [7]; уменьшение содержания озона из-за химических потерь составило —60 ед. Добсона в слое 14-22 км. В [8-10] предложена методика определения границ и степени
уменьшения содержания озона в атмосфере, основанная на измерении корреляции отношения смеси N2O и параметров O3.
В последнее время проводятся систематические спутниковые измерения содержания малых газовых составляющих в атмосфере, в том числе O3 и N2O. При этом отмечена высотная зависимость эффекта фотохимических потерь O3
[11], при которой корреляция содержания O3 и N2O в верхних слоях стратосферы оказалась положительной, а в нижних - отрицательной. Следует выделить наблюдения с помощью суб-миллиметрового (—500 ГГц) радиометра с борта спутника ODIN, запущенного в феврале 2001 г.
[12]. С его помощью в зимне-весенний период 2002/2003 г. обнаружены связанные с N2O химические потери O3 на —28% в слое 19-23 км.
Имеющиеся в литературе данные об атмосферной закиси азота и о связанных с ней химических потерях озона относятся главным образом к исследованиям полярных областей. Однако вывод о росте содержания закиси азота при переходе от зимы к весне можно сделать также на основании среднеширотных наблюдений. Такие наблюдения проводились в г. Н. Новгороде (1998/99 г.) средствами наземного микроволнового зондирования в линии N2O с резонансной частотой v = 100492 МГц (переход J = 4 ^ 5) [13, 14]. Неоднократно на тех же широтах и в тот же зимне-весенний период наблюдалось понижение содержания озона, например над Москвой в 2001 году, когда атмосфера была возмущена полярным вихрем [15]. В [15] представлены результаты длительных наблюдений линии O3 на частоте 142175 МГц, которые показали заметное понижение содержания озона в начале марта 2001 года по сравнению с тем, что было в конце февраля. Объяснить это можно порождаемыми полярным вихрем циркуляционными процессами. Такие процессы (в особенности вертикальное перемешивание) способны изменять локальную концентрацию N2O и, как следствие, влиять на стоки озона.
В данной работе представлены результаты исследования вариаций поглощения атмосферы над г. Н. Новгородом в линиях озона (переход J = 41>3 ^ 404, V, = 101736 МГц) и закиси азота (переход J = 4 ^ 5, v, = 100492 МГц) в зимневесенние периоды 2000, 2003-2005 годов. Исследования проводились с целью выявления и количественной оценки корреляции временных вариаций параметров линий O3 и N2O. Наблюдения велись преимущественно в периоды атмосферных возмущений, обусловленных как локальными, так и глобальными (вызванными
перемещением границы северного полярного вихря) циркуляционными процессами.
Аппаратура и методика измерений
Для наблюдений применялся многоканальный перестраиваемый по частоте модуляционный радиометр (спектрорадиометр) с двумя способами фильтрового спектрального анализа - параллельным и последовательным [16, 17]. Фильтры параллельного анализа при общей численности 30 имели полосу пропускания 3 МГ ц и шаг настройки 1 МГ ц. Канал последовательного анализа выполнен как перестраиваемый в диапазоне ±200 МГц (относительно ур) фильтр с полосой пропускания 20 МГц. Чувствительность по параллельным каналам составляла примерно 1 К при времени накопления —1 с. Возможность перестройки спектрорадио-метра по частоте позволила на относительно коротком интервале времени измерять несколько спектральных линий.
При необходимости параллельные каналы можно было объединять в группы, что повышало чувствительность вновь образованных каналов. Кроме того, механизм перегруппировки каналов позволял уменьшать влияние на точность измерений неравномерности базовой линии спектрорадиометра. Последнее важно потому, что наблюдавшиеся линии О3 и К2О относятся к числу слабых, в особенности линия К2О, декремент оптической толщины в которой ДГ — 5 -10-4 Нп.
Оптическая толщина атмосферы Г(у) измерялась путём сравнения излучения атмосферы в двух направлениях (г = 1, 2; зенитные расстояния 0 и —82о) с излучением «чёрного» тела при температуре приземного воздуха Т0. Кроме того, регистрировалось интегральное излучение атмосферы в двух (прямом и зеркальном) каналах шириной ~1 ГГц, разнесённых на ~3 ГГц. Каждая разность ДТг = Т0 - Таг (Таг - температура атмосферы в г-м направлении), измеренная в параллельных и последовательных каналах, калибровалась по аналогичным разностям, зафиксированным в канале шириной 1 ГГц, с целью исключения флуктуаций атмосферного происхождения и для уменьшения влияния на точность измерений зеркального канала [13, 18, 19]. Параллельные каналы настраивались на одно крыло исследуемой линии. В диапазон перестройки последовательного канала попадали оба крыла линии.
На точность измерений линий малой интенсивности сильное влияние оказывает частотнозависимое нерезонансное поглощение, которое оценивалась по градиенту частотного распреде-
ления Г(у) с аппроксимацией этого распределения по линейному профилю. Для этого с помощью канала последовательного анализа измерялась оптическая толщина на достаточно удаленных (на —100—150 МГц) и находящихся по разные стороны от vр частотах. Зависимость Г(у) в исследуемой линии получалась путем вычитания из результата измерений значений нерезонансного поглощения, полученных путём аппроксимации.
Погрешности измерений не позволили наблюдать форму линии К20. Поэтому для неё основным измеряемым параметром была интенсивность. Интенсивность линии 03 на порядок выше, что позволило не только измерять форму линии, но и применить по отношению к ней процедуру восстановления высотного профиля.
Восстановление высотного распределения озона производилось по алгоритму, в основе которого лежит разбиение атмосферы на слои и принятие условия её изотермичности. Если считать, что физические характеристики внутри слоя не меняются, то для системы из п слоёв с оптическими толщинами уг (г = 1...п) эффективная температура
п г-1 , ч
Те = Ё Т0{1 - ехР(- У г Щ еХР(- У] ), (1)
г=1 ]=1
Т0 - температура атмосферы. Для оптически тонкой линии из (1) при Ъ << 1 получаем
Те (V) = Т0 Ёуі (V).
(2)
і= 1
Максимальная ошибка вычисления частотного распределения (2) для Те(ц) равна
АТ =< То у I << То,
2
где ут - максимальное (в резонансе) значение всех уг(ц).
Таким образом, восстановление профиля сводится к подбору концентраций в слоях для получения распределения Те(у) с наименьшим отклонением от экспериментально полученных значений. Такой метод позволяет выявить детали профиля с разрешением по высоте порядка 5 км. Контролируемые высоты озоносферы лежали в пределах 23...55 км, что обусловлено избирательностью и диапазоном перекрытия каналов спектрорадиометра.
Характеристики озонового слоя и интенсивность линии
Наблюдения атмосферы над г. Н. Новгородом в микроволновых линиях 03 (101736 МГц)
и К20 (100492 МГц), результаты которых представлены в данной работе, показали, что связь между временными вариациями линий озона и закиси азота имеет место не только в атмосфере высоких широт, но на средних широтах.
Первые (из рассматриваемых здесь) экспериментальные свидетельства корреляции параметров линий 03 и К20 были получены в январе-марте 2000 г. В этот период времени закись азота наблюдалась при настройке параллельных каналов радиометра поочерёдно, сначала на одно (левое, «л»), а затем на другое (правое, «п») крыло линии. Вычислялась разность полученных спектров: 8Г(ц) = Гл(ц) - Гп(ц). При этом компенсировались нерезонансное поглощение и неравномерность базовой линии прибора, но терялась информация о форме линии (данный метод измерений в наблюдениях последующих лет не использовался из-за его большой трудоёмкости, но явился способом проверки достоверности результатов измерений в 2003-2005 гг.). Параметры линии (интенсивность и полуширина) определялись путём подбора по критерию минимума среднеквадратичного отклонения распределения 8Г(ц) от расчётной разности 85(ц) = 5л(ц) - 5п(ц), вычисленной для лоренцевского контура 5(ц). Диапазон перестройки последовательного канала составлял ±100 МГц относительно резонансной частоты цр. Такой способ измерений позволял контролировать закись азота на высотах от ~18 км до ~50 км.
На рис. 1а представлена линия закиси азота, измеренная в период 22.01-2.02.2000 г. (усреднение примерно за 4 часа). Точки с указанием погрешностей - результат последовательного, а кривая 1 в диапазоне -25...+25 МГц - результат параллельного анализа. Для сравнения на рис. 1а показана линия (кривая 2), рассчитанная по имеющимся в литературе данным [1]. Можно констатировать, что из-за погрешностей эксперимента в период 22.01-2.02.2000 г. не было зафиксировано заметных отклонений формы линии от расчётных значений.
Совсем другая картина была обнаружена в серии наблюдений 11.03-28.03.2000 г. (усреднение примерно за 6 часов), результаты которой представлены на рис. 1б. Поглощение в линии значительно превысило как расчётное, так и измеренное ранее (рис. 1а) значения, и это превышение значительно превосходит погрешность эксперимента. Как и на рис. 1а, экспериментальные точки соответствуют результату последовательного анализа, а кривая 1 - данным параллельного анализа. Кроме того, на
рис. 1б показан спектр, вычисленный в предположении, что концентрация закиси азота на высотах 20-40 км (а именно на этих высотах формируется линия поглощения с полушириной ~ 50 МГц) увеличена в 5 раз, - кривая 3. Приведенный результат позволяет предположить, что весной содержание закиси азота в области высот 20-40 км сильно увеличивается (за первые полтора месяца весны 2000 года - по крайней мере в 5 раз). Этот вывод подтверждает значительное увеличение интенсивности линии в параллельных узкополосных каналах (рис. 1б, кривая 1), для которых основной вклад в энергию принимаемого сигнала дает излучение сло-ёв атмосферы на 23...55 км.
Измеренные в те же периоды времени 22.012.02 и 11.03-28.03.2000 г. значения оптической толщины в линии 03 представлены на рис. 2а, где показаны относящиеся к разным дням распределения Г(ц) по параллельными каналам радиометра. Линии, измеренные в период с 22.01 по 2.02.2000 г., по форме близки к теллурической линии озона, свойственной стандартной модели атмосферы. Характерным примером распределения Г(ц) для этого периода времени является линия, измеренная 26.01.2000 г. Заметные изменения формы линии 03 произошли во время атмосферного возмущения 11.0328.03.2000 г. Так, в профиле линии, наблюдавшейся в утренние часы 11.03.2000 г., образовался «пологий» участок с минимумом модуля градиента интенсивности |§(ц)| = |^Г/<^у| в окрестности V = цтт « 15 МГц ( £тт = |я(цтт)| ). К полудню 13.03.2000 г. область минимума |§(ц)| сместилась к цтт « 18 МГ ц, а в конце того же дня вышла за пределы указанных на рисунке 30 МГц.
В соответствии с изменениями формы линии 03 менялся и восстановленный по распределению Г(ц) высотный профиль озона (рис. 2б). Полученные распределения концентрации молекул озона Ы(К) в области доступных для диагностики высот к (к в пределах 23...55 км) графически представлены сплошными кривыми с точками. Для сравнения каждому вычисленному распределению Ы(К) сопоставлено высотное распределение озона по стандартной модели атмосферы (пунктирные кривые). Указаны также полученные в результате микроволнового зондирования значения содержания озона (МСО) на высотах 23...55 км. Следует отметить зависимость МСО и декремента оптической толщины ДГ2 в линии 03 от декремента ДГі в линии К20: увеличение ДГ1 сопровождается падением ДГ2 и МСО. Так, произошедшее
11.03-28.03.2000 г. увеличение ДГ1 до (1.28 ± ± 0.5)40-3 Нп (рис. 1б) по сравнению с его средним значением (0.22 ± 0.5)40-3 Нп (рис. 1а) в предшествующий период 22.01 - 2.02. 2000 г. сопровождалось уменьшением ДГ2 от (4.98 ± ± 0.3)^ 10-3 Нп до (3.5 ± 0.4)40-3 Нп и уменьшением МСО от (3.18 ± 0.14)-1018 мол./см2 до (2.72 ± 0.2)^ 1018 мол./см2 (рис. 2).
Характерные особенности описанных выше вариаций спектральной линии и высотного распределения озона и их зависимости от интенсивности линии закиси азота проявились в последующие зимне-весенние периоды 2003-2005 гг.
В наблюдениях 2003 г. значительные изменения содержания закиси азота в атмосфере были обнаружены в период 28.02-07.03. Распределение Г(ц) в линии К20 измерялось с помощью канала последовательного анализа с относительно невысоким (20 МГц) частотным разрешением и перестройкой в пределах ±80 МГц относительно резонансной частоты, что позволило контролировать К20 на высотах от ~20 км до ~29 км. Результаты четырёх дней наблюдений (28.02, 04.03, 06.03 и 07.03) представлены на рис. 3а, где четыре ломаные линии представляют распределения ДГ1(ц) в зависимости от частоты настройки последовательного канала радиометра. Декремент линии К20, измеренной 28.02 и 07.03, не выходил за пределы погрешности эксперимента и составил величину ДГ1, равную примерно (4.0 ± 2.5)^10-4 Нп и (2.3 ± 2.5)40-4 Нп соответственно. Наибольший декремент ДГ1 « (7.3 ± 2.0)^10-4 Нп, значение которого превысило погрешность измерений, наблюдался 06.03.2003 г.
В те же дни декремент оптической толщины в линии 03 менялся от наименьшего значения ДГ2 « (4.92 ± 0.7)40-3 Нп 6 марта до наибольшего ДГ2 « (6.92 ± 0.61)^ 10-3 Нп 7 марта 2003 г., чему соответствовало увеличение МСО на высотах 23...55 км от (3.76 ± 0.1)-1018 мол./см2 до (4.3 ± 0.15)^ 1018 мол./см2. При этом 06.03.2003 г. (в день, когда декремент ДГ2 был минимальным) изменилась форма линии озона: поглощение при отстройке от цр на 18...28 МГц превысило значения Г(ц), полученные для этой области частот в предшествующие и последующий дни. Иными словами, 06.03.2003 г. в распределении Г(ц) образовалась область с минимумом градиента |§(ц)| так, как это показано на рис. 3б, где приведены две линии 03, измеренные 04.03 и 06.03.2003 г. Зачернённые и оконтуренные точки соответствуют измеренным значениям ДГ2, а сплошная и пунктирная кривые аппроксимируют контуры линий озона. Ошибка изме-
АПк), Ю'4 Нп
а)
МГц
Рис. 1. Поглощение в линии Ы20 по наблюдениям 22.01-02.02.2000 г. (а) и 11.03-28.03.2000 г. (б)
ДГ 2, 10-3 Нп
60гh, км
МСО (3,18 ± 0,14) • 1018
пл п п/пил2
60 г h, км МСО
(2,88 ± 0,2)1018 мол/см2
1____Ьп_________|_
ДГ 2, 10-3 Нп
М, км .._л МСО
(2,72 ± 0,2)1018
мол/см2
ДГ 2, 10-3 Нп
-1- 0
60г М, км
13.03.2000
(17.50-19.05)
0
МСО (2,98 ± 0,1)1018 мол/см2
0 10 20 30 0 2 4
У-Ур, МГц N, 1012 мол/см3
Рис. 2. Вариации поглощения в линии 03 (а) и высотного распределения содержания озона на высотах 23...55 км (б) по наблюдениям 2000 г.
С
X
*1?
о
0.8
0.4
-0.4
-0.8
а)
•і і і
— 28.02.2003
— 04.03.2003
— 06.03.2003 — 07.03.2003
і і і
-80 -40 0 40
У-Ур, МГц
80
с
X
со
I
О
X
гя
б)
У-Ур, МГц
Рис. 3. Изменения интенсивности линии ^О (а) и вариации формы линии озона (б) в период 28.02-07.03.2003
0
рений обеих линии была практически одной и той же. Поэтому в оконтуренных точках ошибка измерений не показана. Области минимума £тт в контуре линии от 06.03.2003 г. соответствует V = утт « 18 МГ ц.
Наблюдения в период 03.02-09.02.2004 г. проводились во время прохождения над г. Н. Новгородом незначительного по масштабам циклона. При этом в область зондирования попали и зона низкого давления, и ограничивающие её атмосферные фронты. Для измерений линии К20 использовались как последовательный, так и параллельные каналы спектро-радиометра. Параллельными каналами анализировалась центральная, а перестраиваемым каналом - периферийная области спектральной линии. Полученные с помощью параллельных каналов данные усреднялись, что обеспечило им интегральную избирательность 30 МГц. Распределение Г^) за пределами зоны параллельного анализа измерялось перестраиваемым каналом, и с его помощью определялся профиль нерезонансного поглощения. Такой способ измерений позволил контролировать закись азота на высотах от ~18 км до ~26 км.
Характер вариаций формы и интенсивности линии озона в этот период времени и их связь с линией закиси азота не обнаружили каких-либо качественных отличий от тех, которые наблюдались в 2000 и 2003 г. Поэтому обозначим только основные количественные оценки, касающиеся вариаций интенсивности линий 03 и К20, а также МСО. Было зафиксировано изменение декремента оптической толщины в линии 03 от максимального для данного периода времени значения ДГ2 « (5.1 ± 0.43)-10-3 Нп (04.02.2004 г.) до минимального ДГ2 « (3.12 ±
± 0.8)-10-3 Нп (06.02.2004 г.). В то же время вычисленное по модели (1) значение МСО понизилось от (3.27 ± 0.1)-1018 мол./см2 до ~(1.1 ± ± 0.4)-1018 мол./см2.' Произошло это на фоне увеличения декремента ДГ1 линии К20 от (0.98 ± 0.15)10-3 Нп до (1.28 ± 0.21)10-3 Нп.
Более полно полученные в 2000, 2003 и 2004 годы результаты измерений поглощения атмосферы в линиях К20 и 03 и рассчитанные по ним значения МСО в контролируемой области высот представлены в табл. 1; жирным шрифтом выделены числовые значения ДГі, ДГ2 и МСО, характеризующие диапазон изменения этих величин в соответствующие периоды времени.
Измерения 2005 года велись тем же методом, что и в 2004 году, но отличались относительно протяжённым отрезком времени (от 14.02 до 24.03). Это позволило количественно оценить степень взаимозависимости интенсивностей линий К20 и 03 по коэффициенту корреляции последовательностей ДГ1(/) и ДГ2(і) (і - порядковый номер одного цикла измерений пары спектральных линий К20 и 03). Характер вариаций ДГ1 и ДГ2 представлен на рис. 4. Точки на графиках соответствуют полученным экспериментально значениям ДГ 1 и ДГ 2 в дни с порядковым номером п, отсчитанным от 21.02.2005 г. Можно заметить, что возрастание декремента ДГ1 в линии К20 в среднем происходит на фоне уменьшения декремента ДГ2 в линии 03 - коэффициент корреляции последовательностей ДГ1(п) и ДГ2(п) составил величину К = КТ « -0.25 (табл. 2). Такая закономерность свойственна прежде всего крупномасштабным по времени вариациям поглощения атмосферы с характерными временами порядка одного месяца и более, например сезонным вариациям.
Таблица 1
Результаты измерений 2000, 2003 и 2004 годов
Дни наблюдений ДГ2, 10-3 Нп МСО, 1018 мол./см2 ДГ!, 10-3 Нп
26.01.2000 4.96 ± 0.6 3.18 ± 0.14 0.22± 0.5*
01.02.2000 4.98 ± 0.3 2.85 ± 0.1
11.03.2000 4.6 ± 0.33 2.88 ± 0.2 1.28 ± 0.5**
12.03.2000 3.5 ± 0.4 2.72 ± 0.2
13.03.2000 4.38 ± 0.24 2.98 ± 0.1
28.02.2003 5.31 ± 0.63 3.9 ± 0.1 0.4 ± 0.25
04.03.2003 6.17 ± 0.62 4.22 ± 0.1 0.45 ± 0.25
06.03.2003 4.92± 0.7 3.76 ± 0.1 0.73 ± 0.2
07.03.2003 6.92 ± 0.61 4.3 ± 0.15 0.23 ± 0.25
03.02.2004 4.86 ± 0.36 2.63 ± 0.15 0.84 ± 0.22
04.02.2004 5.1 ± 0.43 3.27 ± 0.1 0.98 ± 0.15
06.02.2004 3.12 ± 0.8 1.1 ± 0.4 1.28 ± 0.21
09.02.2004 4.72 ± 0.48 3.0 ± 0.1 0.74 ± 0.13
* В среднем за два дня (26.01 и 1.02.2000 г.) наблюдений.
** В среднем за период 11.03-13.03.2000 г.
Таблица 2
Коэффициенты корреляции, измеренные в период 14.02-24.03.2005 г.
Кт К11.03-24.03 К 11.03-24.03 КДГ2 ОСО
-0.25 -0.37 -0.41 -0.65 0.82
V ДГ, 10-3 Нп
N20, 100492 МГц
____і_______і_______і_
Дни от 21.02.2005
Рис. 4. Вариации оптической толщины в линиях N20 и 03 в период 21.02-24.03.2005 г.
Изменения декрементов ДГ 1 и ДГ 2 носили разный характер для разных интервалов времени. Так, в дни от 11.03 до 24.03 (п = 17-32) корреляция наиболее сильно проявилась в мелкомасштабных по времени (минимальный масштаб был в пределах от ~12 до ~24 часов) изменениях ДГ1 и ДГ2. Значение коэффициента корреляции достигло К = Кц.0з-24.0з * -0.37. Количественно такие вариации характеризуют разности
А,2(0 = ДГи(/+1) - ДГ 1,2(0
между каждым последующим ДГ 1=2(/+1) и каждым предыдущим ДГ1,2(0 значениями в их числовой последовательности. В целом по всему времени наблюдений от 14.02 до 24.03.2005 г. коэффициент корреляции разностей А(0 и ^2(0 составил величину К= К * -0.41, а для дней 11.03 - 24.03 оказался равным Кэ ц.03-24.03 *
« -0.65. Таким образом, наблюдения 2005 г. показали, что мелкомасштабные изменения оптической толщины в наблюдавшихся линиях 03 и К2О обладают более высокой степенью взаимозависимости.
Как видно из рис. 4, за время от 21.02 до 24.03.2005 г. в среднем наблюдалось возрастание декремента оптической толщины в линии 03, что соответствует данным по общему содержанию озона (ОСО) в атмосфере над г. Н. Новгородом, размещённым на Интернет-сайте Всемирной метеорологической организации. Коэффициент корреляции вариаций ДГ 2 и ОСО за этот период времени составил К= КДг2оСо ~
« 0.82, что можно рассматривать как фактор, подтверждающий достоверность представленных в работе результатов.
Обсуждение результатов
Основным результатом исследований в зимне-весенние периоды 2000, 2003-2005 гг. являются экспериментальные свидетельства того, что в окрестности атмосферных фронтов в областях низкого давления наблюдается увеличение поглощения в линии К20 и одновременное уменьшение поглощения в линии О3, а также изменение контура линии озона и уменьшение его общего содержания. Измерительная аппаратура позволяла контролировать озон на высотах 23-55 км, для закиси азота эта область высот была ниже и лежала в пределах от —18—20 км до ~30 км. Исключение составили измерения 2000 г., когда верхняя граница подконтрольной для К20 области была близка к 50 км. Взаимозависимость перечисленных выше эффектов можно объяснить процессами вертикального перемешивания, вследствие которых из нижних (приземных) слоев атмосферы в областях, характеризуемых пониженным давлением и повышенным содержанием К20, закись азота переносится в область стратосферы, где вследствие реакции фотолиза образуются К0х-соеди-нения, представляющие собой фактор разрушения озона на больших высотах. Образовавшиеся активные К0х-соединения вследствие конвекции могут достигать верхних слоев стратосферы и даже границы стратопаузы, что может вызывать уменьшение содержания озона в этих областях атмосферы.
Восстановленные по измеренным линиям профили высотного распределения озона Щ(И) позволили выделить некоторые детали изменения содержания О3 на высотах 23...55 км. Так, для последовательности событий, имевших место 11.03 и 13.03.2000 г., по восстановленным профилям ЩИ) наряду с увеличением содержания озона было обнаружено изменение характера высотного распределения (рис. 2). Действительно, после 11.03 к полудню 13.03 концентрация озона в зондируемой области атмосферы возросла сначала на высотах, превышающих 27 км (рис. 2б), а затем в конце дня это возрастание распространилось на ниже лежащую область с И < 27 км. Произошло это в условиях повышенного содержания и значительной переменчивости атмосферной закиси азота. Подобный характер изменения Щ(И) проявился 03.02-09.02.2004 г. во время прохождения циклона над г. Н. Новгородом. Полученные результаты являются свидетельством в пользу того, что совместное исследование поглощения атмосферы в линиях К20 и О3 позволяет определить не только характер вариаций высотного
распределения озона, но и механизм их возникновения.
Восстановленным профилям ЩИ), как это следует из рис. 2б, свойственно заниженное значение концентрации озона в области высот И > 40 км по сравнению с концентрацией для стандартной модели атмосферы. Объясняется это относительно невысокой разрешающей способностью спектрорадиометра, которая к настоящему времени увеличена до 800 кГц.
Наиболее значительные вариации профиля Щ(И) возникают тогда, когда в линии озона образуются области с минимумом градиента в частотном профиле оптической толщины Г(у). Установленная зависимость профиля линии 03 от интенсивности линии К20 является дополнительным фактором, характеризующим влияние атмосферной закиси азота на озоновый слой и высотное распределение озона. Важным источником информации для определения механизма такого влияния являются данные о форме линии К20, получить которые можно повышая чувствительность измерительной аппаратуры и (или) переходя на измерение более интенсивных линий.
Наблюдения 14.02-24.03.2005 г. позволили количественно оценить взаимную корреляцию временных вариаций интенсивностей линий озона (101736 МГц) и закиси азота (100492 МГц). Важным представляется исследование такой корреляции с другими линиями озона. Предварительные исследования в этом направлении (исследования поведения линии О3 на частоте 96228 МГц) показали, что вариации поглощения атмосферы в разных линиях О3 могут иметь существенные отличия. При этом наиболее значимые отличия появляются в периоды атмосферных возмущений. Возможной причиной этого является нарушение термодинамического равновесия и, как следствие, перераспределение молекул по энергетическим уровням.
Таким образом, совместное измерение параметров закиси азота и озона в атмосфере является одним из инструментов контроля процессов в верхних слоях атмосферы. Радиометрические методы в этом случае обладают преимуществами, т. к. позволяют на относительно коротком интервале времени измерять несколько спектральных линий. Тем самым расширяется возможность сопоставительного анализа линий, принадлежащих одной или разным примесным составляющим, что существенно для повышения эффективности зондирования атмосферы радиофизическими методами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам при Президенте РФ для поддержки ведущих научных школ в рамках НИР РИ-112/001/804.
Список литературы
1. The Stratosphere 1981. Theory & Measurements. WMO Global Ozone Research & Monitoring Project. Rept. No.11, 1981.
2. Olsen S.C., McLinder C.A., Prather M.J. // J. of Geoph. Res. 2001. V. 106. Issue D22. P. 28771.
3. Parrish A., de Zafra R.L., Jaramilo M. et al. // Nature. 1988. V. 332. P. 53.
4. Loewenstain M., Podolske J.R., Chan K.R., and Strahan S.E. // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. P. 477.
5. Emmons L.K., Reeves J.V., Shindell D.T. and Zafra R.L. // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21, No. 13. P. 1275.
6. Muller R., Schmidt U., Engel A. et al. // Quarterly J. of the Royal Meteorological Society. 2001. V. 127. Issue 574. P.1389.
7. Salawitch R.J., Margitan J.J., Sen B. et al. // J. of Geoph. Res. (Atmospheres). 2002. V. 107, Issue D20. P. SOL 11-1.
8. Strahan S.E., Loewenstain M., Podolske J.R. et al. // J. of Geoph. Res. 1989. V. 94. P. 412.
9. Proffitt M.H., Margitan J.J., Kelly K.K. et al. // Nature. 1990. V. 347. P. 31.
10. Proffitt M.H., Solomon P.M., and Loewenstain M.//J. of Geoph. Res. 1992. V. 97. P. 939.
11. Khosrawi F., Muller., Proffitt M.H. et al. // J. of Geoph. Res. 2004. V. 106., Issue D10. CitelD D1031.
12. Urban J. // EGS-AGU-FUG Joint Assembly, Abstracts from the meeting held in Nice, France, 6-11 April 2003, abstract #1339 (2003).
13. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 10. С. 933.
14. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Вакс В.Л. // Труды IV научной конференции по радиофизике. Н. Новгород: ННГУ, 2000. С. 155.
15. Соломонов С.В. // Успехи современной радиоэлектроники. 2003. № 1. С. 9.
16. Шкелев Е.И., Кисляков А.Г., Савельев Д.В. // ПТЭ. 1995. № 6. С. 132.
17. Шкелев Е.И., Ястребов И.П., Шулешов А.О. // ПТЭ. 2002. № 4. С. 92.
18. Вакс В.Л., Вдовин В.Ф., Кисляков А.Г. и др. // Изв. вузов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 11. С. 1365.
19. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Вакс В.Л. // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. № 6. С. 668.
VARIATIONS OF ATMOSPHERIC OPTICAL THICKNESS IN THE LINES OF O3 AND N2O ROTATIONAL SPECTRA
E.I. Shkelev, A.G. Kislyakov, D. V. Savel’ev, V.L. Vaks
On the basis of the atmospheric radio emission data obtained at the NNSU during winter-spring periods of 2000, 2003-2005, the cross-correlation of the atmospheric optical thickness (AOT) and the form of the telluric line O3 and N2O line intensity has been considered. It has been shown that an increase of AOT in N2O line is predominately accompanied by a decrease of AOT in O3 line at both long-term or short-term variations.
Keywords: telluric line, remote sensing, atmospheric ozone, microwave radiometry.
